研究生現(xiàn)代控制工程緒論

現(xiàn)代控制工程王軍平

西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院西二樓東221wangjunping@2/2/20231課程目的掌握現(xiàn)代控制理論的基本知識(shí)，鍛煉研究生對(duì)于解決復(fù)雜系統(tǒng)的分析和綜合等實(shí)際控制問題的能力,特別是應(yīng)用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的分析與綜合的能力，從而將控制理論和電子技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到機(jī)械系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化。這對(duì)于推動(dòng)專業(yè)技術(shù)工作更加深入，充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)的潛能具有重要作用。教材：《現(xiàn)代控制工程》主編：王軍平、董霞，西安交大出版社2/2/20232控制理論及工程的發(fā)展

前期控制(1400BC-1900)經(jīng)典控制(1935-1950)現(xiàn)代控制(1950-Now)智能控制(1970-）2/2/20233人類生產(chǎn)方式的進(jìn)步2/2/20234自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的歷史沿革中國(guó)古代的自動(dòng)化裝置指南車52/2/20235指南車是中國(guó)古代用來指示方向的一種具有能自動(dòng)離合的齒輪系裝置的車輛。

馬拉雙輪獨(dú)轅車，車箱上立一個(gè)伸臂的木人。裝有能自動(dòng)離合的齒輪系。當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時(shí)車轅前端就順此方向移動(dòng)，而后端則向反方向移動(dòng)，并將傳動(dòng)齒輪放落，使車輪的傳動(dòng)帶動(dòng)木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響齒輪系車身木人方向車輛轉(zhuǎn)彎2/2/20236 銅壺滴漏2/2/20237銅壺滴漏（刻漏或漏刻）－這種計(jì)時(shí)裝置最初只有兩個(gè)壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時(shí)間）。保持上壺的水位恒定是滴漏計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的關(guān)鍵。這個(gè)問題后來是用互相銜接的多極（3-5極）水壺來解決的平水小壺上有溢水口，可使多余的水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個(gè)浮子式閥門作為自動(dòng)切斷閥。當(dāng)受水壺的水位升至滿刻度時(shí)，浮子式閥門就會(huì)自動(dòng)阻塞上級(jí)平水壺的出水小孔，切斷水滴。2/2/20238

對(duì)象和控制器形成控制系統(tǒng)蒸汽源蒸汽機(jī)(對(duì)象)負(fù)荷離心式調(diào)速器(調(diào)節(jié)器)進(jìn)汽閥轉(zhuǎn)速測(cè)量1788年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器（圖2）。這種采用機(jī)械式調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)的動(dòng)力機(jī)速度自動(dòng)控制是自動(dòng)化應(yīng)用的第一個(gè)里程碑。2/2/20239經(jīng)典控制理論的形成、發(fā)展和應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)和軍事系統(tǒng)廣泛應(yīng)用各種自動(dòng)控制裝置，促進(jìn)了對(duì)控制系統(tǒng)的分析和綜合的研究2/2/202310隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）在給定環(huán)節(jié)給出的輸入信號(hào)是預(yù)先未知的隨時(shí)間變化的函數(shù)2/2/202311經(jīng)典控制理論的發(fā)展和集大成者諾伯特·維納(NorbertWiener)

1894-1964控制論,或動(dòng)物和機(jī)器的控制和通信,1948(Cybernetics,orcontrolandcommunicationintheanimalandmachine,1948)2/2/202312錢學(xué)森(TsueShenTsian)工程控制論，1954(EngineeringCybernetics)2/2/202313經(jīng)典控制理論穩(wěn)定判據(jù)傳遞函數(shù)、依據(jù)頻率響應(yīng)的頻率法判據(jù)和分析米諾爾斯基:《關(guān)于船舶自動(dòng)操舵的穩(wěn)定性》黑曾（Hazen）:《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》埃文斯（Evans）:根軌跡法14《控制論》與《工程控制論》的問世吸引了大批的數(shù)學(xué)家與工程技術(shù)專家從事控制論的研究，推動(dòng)了該學(xué)科的發(fā)展。而電子式控制器的應(yīng)用是自動(dòng)化應(yīng)用的第二個(gè)里程碑。

2/2/202314現(xiàn)代控制理論復(fù)雜工業(yè)過程和航天技術(shù)的自動(dòng)控制，涉及多變量控制系統(tǒng)的分析和綜合，迫切需要加以解決1956年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金提出極大值原理同年美國(guó)數(shù)學(xué)家貝爾曼(Bellman)創(chuàng)立動(dòng)態(tài)規(guī)劃1960年美國(guó)數(shù)學(xué)家卡爾曼(Kalman)提出狀態(tài)空間法，以及可控性和可觀性20世紀(jì)60-70年代，英國(guó)學(xué)者羅森布羅克等將頻率法推廣到分析和設(shè)計(jì)多變量系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代頻率法152/2/2023152/2/202316計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代自動(dòng)控制和自動(dòng)化系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)1946年2月15日，世界上第一臺(tái)通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)“埃尼阿克

1992年我國(guó)自行研制的銀河－II巨型機(jī)2/2/202317現(xiàn)代系統(tǒng)與控制理論形成多個(gè)重要分支自動(dòng)檢測(cè)、遙測(cè)、遙控和遙感

系統(tǒng)辯識(shí)、建模與仿真模式識(shí)別和人工智能

系統(tǒng)工程隨機(jī)系統(tǒng)與控制、模糊集與控制自適應(yīng)控制和自校正控制

最優(yōu)控制智能控制魯棒控制離散時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)

2/2/202318自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的研究范疇過程自動(dòng)化與控制綜合自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)集成制造機(jī)器人及應(yīng)用智能交通系統(tǒng)巡航導(dǎo)彈和預(yù)警飛機(jī)太空飛行網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)小世界網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)信息安全傳感器網(wǎng)絡(luò)2/2/202319綜合自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)集成制造機(jī)械自動(dòng)化－數(shù)控技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)靈活、通用、高精度、高效率的“柔性”自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)—數(shù)字控制（簡(jiǎn)稱數(shù)控）柔性制造系統(tǒng)（FMS）

在數(shù)控基礎(chǔ)上的高度自動(dòng)化加工形式，由統(tǒng)一的控制系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)成一組加工設(shè)備2/2/202320柔性制造系統(tǒng)（FMS）2/2/202321計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將制造過程、計(jì)劃調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理和市場(chǎng)銷售等信息進(jìn)行集成，并求得全局優(yōu)化2/2/202322機(jī)器人理論與應(yīng)用涉及幾乎所有先進(jìn)控制理論：非線性控制、魯棒控制、最優(yōu)控制、智能控制等涉及機(jī)器視覺、模式識(shí)別、信息融合等2/2/2023232/2/202324智能汽車視聽覺信息的認(rèn)知計(jì)算驗(yàn)證平臺(tái)，提供新的基于人—車—路狀態(tài)綜合分析的智能輔助安全駕駛關(guān)鍵技術(shù)

2009年6月4—5日，西安浐灞生態(tài)區(qū)

2/2/202325高速列車采用交流傳動(dòng)技術(shù)，控制系統(tǒng)采用分布式微機(jī)控制裝置等進(jìn)行智能控制我國(guó)高速“子彈頭”列車，時(shí)速達(dá)300多km/Hr。磁懸浮高速列車已在上海運(yùn)行，最高速430km/Hr。2/2/202326巡航導(dǎo)彈和預(yù)警飛機(jī)巡航導(dǎo)彈及其測(cè)控系統(tǒng)

在翼式導(dǎo)彈和無人駕駛遙控飛機(jī)的基礎(chǔ)上，利用紅外成像技術(shù)、GPS、精密制導(dǎo)和控制技術(shù)、隱形技術(shù)制造出精度高、成本低的低空突防武器——巡航導(dǎo)彈，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)特別是局部戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著重要作用2/2/202327預(yù)警飛機(jī)機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)中的自動(dòng)化技術(shù)空中預(yù)警飛機(jī)是用于搜索、監(jiān)視和跟蹤空中和海上目標(biāo)，達(dá)到快捷準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)敵人目標(biāo)、有效跟蹤目標(biāo)，并指揮攔截或阻擊敵人目標(biāo)。

美制E-3“望樓”空中預(yù)警飛機(jī)有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)、陣列信號(hào)、空時(shí)二維信號(hào)處理技術(shù)、機(jī)載環(huán)境下光學(xué)探測(cè)及圖像處理技術(shù)、多目標(biāo)跟蹤與多傳感信息融合技術(shù)、敵我識(shí)別技術(shù)、機(jī)載并行計(jì)算機(jī)技術(shù)、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅評(píng)估和戰(zhàn)斗輔助決策指揮技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)

2/2/202328太空飛行人造飛船人造衛(wèi)星登月國(guó)際空間站2/2/202329國(guó)際空間站一座有兩個(gè)足球場(chǎng)大小的空間站，將成為人類歷史上第一個(gè)完備的太空實(shí)驗(yàn)室。嫦娥一號(hào)2/2/202330神舟號(hào)載人飛船2/2/202331網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)小世界網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌▍⒖脊鸫髮W(xué)DavidPepyne博士講稿）網(wǎng)絡(luò)信息安全傳感器網(wǎng)絡(luò)2/2/202332集成化網(wǎng)絡(luò)安全防衛(wèi)系統(tǒng)演示配置圖NSMS通信服務(wù)器數(shù)據(jù)中心Console1Console2Console3主機(jī)檢測(cè)控制臺(tái)XJTUNetSensor(LINUX版)XJTUNetSensor(WIN版)XJTUHostSensorSnortNetworkSensorWWW服務(wù)器應(yīng)用主機(jī)1應(yīng)用主機(jī)2黑客路由器PIX防火墻CheckPoint防火墻WWW服務(wù)器黑客22/2/202333傳感器網(wǎng)絡(luò)

以無線通信功能的微型傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)（SensorNetwork）為基礎(chǔ)的泛計(jì)算（PervasiveComputing）、泛監(jiān)控（PervasiveSupervision）信息網(wǎng)絡(luò)國(guó)防和軍事用途傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID（RadioFrequencyID）技術(shù)相結(jié)合有可能全程監(jiān)控物流和生產(chǎn)制造設(shè)備，徹底改變現(xiàn)有生產(chǎn)制造過程的控制與優(yōu)化方法342/2/202334傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用2/2/202335RFID應(yīng)用

RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。

2/2/202336智能織物

智能灰塵能夠探測(cè)疾病、監(jiān)測(cè)心律和其他生命體征的電子紡織品

智能灰塵”并不是真正意義上的灰塵,實(shí)際上它是由無數(shù)超微型傳感器組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),

2/2/202337物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬事萬物的“InternetofThings”。無需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識(shí)別(RFID)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品(商品)的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。2/2/202338物聯(lián)網(wǎng)：上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)防入侵系統(tǒng)

3萬多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，覆蓋了地面、柵欄和低空探測(cè)，可以防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵

2/2/202339

智能交通系統(tǒng)智能交通系統(tǒng):利用現(xiàn)代信息技術(shù)為核心，利用先進(jìn)的通訊、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通的實(shí)時(shí)控制與指揮管理。

提高公路交通的安全性;降低能源消耗，減少汽車運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響;提高公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力;提高汽車運(yùn)輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益2/2/202340自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的新發(fā)展自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)正面臨第三次突破復(fù)雜性智能化網(wǎng)絡(luò)化期待大家的參與2/2/202341現(xiàn)代復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)分析

圖1-14數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2/2/202342由于熱、力、磨損、間隙造成的閉環(huán)控制失穩(wěn)秦川VTM180機(jī)床X-Y軸圓插補(bǔ)誤差實(shí)測(cè)結(jié)果C軸(旋轉(zhuǎn))誤差測(cè)試結(jié)果秦川Y7332A磨齒機(jī)溫度-絲杠伸長(zhǎng)以及運(yùn)動(dòng)誤差試驗(yàn)結(jié)果50分鐘2/2/202343復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考軋制板材厚度由壓力、張力、速度、潤(rùn)滑綜合確定厚差、板型的變化——時(shí)變系統(tǒng)發(fā)散、自激、復(fù)合強(qiáng)迫振動(dòng)現(xiàn)象——非線性復(fù)雜耦合復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)非線性耦合系統(tǒng)圖8熱軋裝備2/2/202344復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考混合動(dòng)力汽車能量管理第一個(gè)層次：工作模式的切換規(guī)則，屬于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，第二個(gè)層次：能量流的優(yōu)化分配問題。多目標(biāo)（燃料經(jīng)濟(jì)性，排放，成本等等）多變量（既包括連續(xù)變量又包括離散變量）的非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題。同時(shí)能量需求時(shí)變性與傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)傳遞的不確定性也增加了優(yōu)化與控制的難度。

2/2/202345復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考整車控制系統(tǒng)：多輸入多輸出耦合系統(tǒng)2/2/202346復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考2/2/202347基于視覺的微裝配與操作:宏觀和微觀的結(jié)合！宏觀世界微觀世界運(yùn)動(dòng)控制器放大器視覺控制器圖像特征提取傳感器+-攝像機(jī)機(jī)器人2/2/202348三、古典控制理論與現(xiàn)代控制理論的比較：1、古典控制理論：

五十年代末形成了完整的體系1）把系統(tǒng)當(dāng)作“黑箱”，不反映黑箱內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變量，只反映外部變量，即輸入輸出間的因果關(guān)系；2）傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)外部特性，屬于外部描述，不完全描述；3）主要采用頻域法，建立在根軌跡和奈奎斯特判據(jù)等基礎(chǔ)之上的；4）局限性：局限于線性定常系統(tǒng)，不適合非線性和時(shí)變系統(tǒng)G(s)Y(s)U(s)是分析方法而不是最佳的綜合方法，試湊法為主，滿足性能指標(biāo)為目的，無法設(shè)計(jì)出最優(yōu)的系統(tǒng)，針對(duì)某個(gè)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)方案多樣局限于單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO系統(tǒng)）無法考慮系統(tǒng)的初始條件（傳遞函數(shù)的定義）只能研究確定性的系統(tǒng)，不適合隨機(jī)系統(tǒng)2/2/202349既適合線性定常系統(tǒng)，也適合非線性及系統(tǒng)2、現(xiàn)代控制理論：不斷發(fā)展中1）越來越復(fù)雜的系統(tǒng)，古典控制理論不能勝任，于50年代末60年代初出現(xiàn)了現(xiàn)代控制理論，建立在古典控制理論基礎(chǔ)上。2）時(shí)域法，狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，深入系統(tǒng)內(nèi)部，是內(nèi)部描述，完全描述；3）分段描述：將輸入輸出間關(guān)系分成兩段來描述第一段：輸入引起系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化－－－狀態(tài)方程第二段：內(nèi)部狀態(tài)引起系統(tǒng)輸出的變化－－－輸出方程4）優(yōu)點(diǎn)（相對(duì)于古典控制）：狀態(tài)變量，內(nèi)部變量外部變量外部變量分析綜合方法，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制考慮了初始條件，系統(tǒng)狀態(tài)可以由初始條件和輸入來刻劃既適合確定性的系統(tǒng)，也適合隨機(jī)系統(tǒng)既適合SISO系統(tǒng)，也適合MIMO系統(tǒng)2/2/202350控制系統(tǒng)分類按照輸入輸出關(guān)系線性系統(tǒng)：同時(shí)滿足疊加原理和齊次性條件

非線性系統(tǒng)：不同時(shí)滿足疊加原理和齊次性條件按照系統(tǒng)參數(shù)和時(shí)間關(guān)系：定常系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)不隨時(shí)間變化，如A。

常系數(shù)微分/差分方程描述

時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間變化，如A(t)。

時(shí)變系數(shù)微分/差分方程描述2/2/2023511）系統(tǒng)的描述：解決系統(tǒng)的建模、各種數(shù)學(xué)模型(時(shí)域、頻域、內(nèi)部、外部描述)之間的相互轉(zhuǎn)換。2）系統(tǒng)的分析：研究系統(tǒng)的以下特性：定量變化規(guī)律：如狀態(tài)方程的解，即系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析等；定性行為：如能控性、能觀測(cè)性、穩(wěn)定性等。1、系統(tǒng)的描述與分析：控制系統(tǒng)分析和綜合問題按控制作用和控制時(shí)間分分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)2/2/2023523）古典控制：附加微分、積分等環(huán)節(jié)校正系統(tǒng)，通過根軌跡法等對(duì)系統(tǒng)極點(diǎn)進(jìn)行配置?，F(xiàn)代控制：狀態(tài)反饋對(duì)系統(tǒng)極點(diǎn)進(jìn)行任意配置。2）系統(tǒng)品質(zhì)在很大程度上取決于系統(tǒng)極點(diǎn)的配置。通過將極點(diǎn)置于特定的位置，使系統(tǒng)品質(zhì)達(dá)到滿意的程度。3、系統(tǒng)品質(zhì)：1）系統(tǒng)品質(zhì)不能令人滿意，需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)(被控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型)的基礎(chǔ)上，尋求控制規(guī)律，以使系統(tǒng)具有某種期望的性能指標(biāo)，即系統(tǒng)品質(zhì)。2、系統(tǒng)的綜合與設(shè)計(jì)：2/2/2023531）以漸近穩(wěn)定為性能指標(biāo)，相應(yīng)的綜合問題稱為鎮(zhèn)定問題；3）使一個(gè)MIMO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸入只控制一個(gè)輸出作為性能指標(biāo)，相應(yīng)的綜合問題稱為解耦問題。4）將系統(tǒng)的輸出y(t)無靜差地跟蹤一個(gè)外部信號(hào)的能力，作為性能指標(biāo)，相應(yīng)的綜合問題稱為跟蹤問題。4、